FG Aerodynamik und Strömungslehre
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Die vorliegende Doktorarbeit betrachtet den erosiven Verschleiß von Laval-Düsen für den pneumatischen Stofftransport. Dazu wurden 3D-CFD-Simulationen der Gas-Partikel-Strömung auf Basis des Softwarepaketes OpenFOAM durchgeführt und ein kompressibler 2-Wege-gekoppelter sowie 4-Wege-gekoppelter Strömungslöser entwickelt. Zusätzlich wurden die Partikelmethoden von OpenFOAM erheblich erweitert. So sind z.B. zusätzliche stochastische Methoden für die Partikel-Partikel und Partikel-Wand-Kollisionen (Sommerfeld & Huber, 1999) mit einer erweiterten translatorischen und rotatorischen Impulserhaltung implementiert worden. Die auf die disperse Phase wirkenden fluidmechanischen Kräfte sind die Widerstandskraft nach Henderson (1976), die Kraft durch Druck- und Spannungstensor sowie die Auftriebskraft. Der erosive Verschleiß wird wahlweise mit dem Tabakoff-Modell (Grant & Tabakoff, 1973) und dem Oka-Modell (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) berechnet.
Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem HKW Cottbus, welches im Rauchgasreinigungssystem Laval-Düsen für den pneumatischen Abtransport von Asche verwendet. Aufgrund der hohen Gas- und Partikel-Geschwindigkeiten und der Kontur der Düsen sind diese massiv durch Erosion geschädigt worden. Dadurch haben diese ihre Funktion als Blende verloren, was eine Schädigung weiterer Komponenten des Rauchgasreinigungssystems zur Folge hatte.
Zur Validierung des numerischen Strömungslösers wurde das Experiment von Kumar et al. (1983) ausgewählt und ein qualitativ vergleichbares Ergebnis generiert (60% des experimentellen Werts). Das charakteristische Verschleißbild des Experiments stellt sich nur unter Verwendung eines stochastischen Partikel-Wand-Kollisionsmodells mit hoher Wandrauigkeit ein. Im Fall glatter Wände ist der erosive Verschleiß insgesamt geringer und es verschiebt sich das Maximum der lokalen Erosionsrate.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist sowohl die Kontur der Laval-Düse des HKW Cottbus modifiziert worden als auch das Material der Düsenwandung von 13CrMo44-Stahl zu Siliziumcarbid-Keramik geändert worden. Die numerischen Simulationen des 4-Wege-gekoppelten Strömungslösers zeigen, dass sich das lokale Maximum der Verschleißrate im kritischen Bereich der Düsenkehle auf 1.5 % des Ausgangswerts reduziert und zugleich von der Düsenkehle weg verschiebt.
In dieser Doktorarbeit ist im Gegensatz zu vergleichbaren numerischen Studien eine Validierung des Strömungslösers an experimentellen Daten durchgeführt worden. Zudem ist die Bedeutung der Partikel-Partikel-Kollisionen und der Wandrauigkeiten für die Berechnung des erosiven Verschleißes bei Laval-Düsen aufgezeigt worden.
Investigations of high Reynolds number pipe flow is up to now a great challenge due to the complex mechanisms which appear in pipe flow turbulence. Hence, suitable experimental facilities are necessary to resolve turbulent dynamics and therewith to provide the knowledge for the understanding of such a simple shear flow. For this reason the recent thesis deals with conceptual design and setup of a new high Reynolds number pipe test facility further on named CoLaPipe - Cottbus Large Pipe. It also comprises first investigations on pipe flow obtained from the new CoLaPipe, which can be classified into 1.)calibration measurements to put the facility into service and 2.)continuative measurements to provide experimental results helping to understand pipe flow.
The first results within the CoLaPipe show that this new experimental facility is suitable to investigate turbulence at high Reynolds numbers, where this conclusion can be drawn from intensive investigations on the development length of the flow either for natural and artificial transition. From further experiments on the evaluation of the wall friction velocity using different estimation methods great difficulties and variations in the calculated values are obtained. These deviations are directly related to the scaling behavior of the mean and fluctuating velocity, which is also shown within this thesis and intensively discussed.
Among the discussion of the setup of the new CoLaPipe and the first experimental results this thesis contains a broad literature review with the focus on high and very high Reynolds numbers. Nevertheless, pipe flow at low and moderate Reynolds numbers is described as well.
Das gleichmäßige Ausblasen ist eine effektive Methode zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht, nämlich zur Reduzierung des Reibungswiderstands einer umströmten Wandoberfläche. In der vorliegenden Arbeit wurde turbulente Grenzschicht an einer ebenen Platte hinsichtlich ihrer Beeinflussbarkeit mittels gleichmäßigem kontinuierlichen Mikro-Ausblasen in einer Strömung ohne Druckgradient untersucht. Die durchgeführte Untersuchung umfasst das Strömungsverhalten in einer viskosen Unterschicht über einer durchlässigen Wand ohne und mit Ausblasen, der Einfluss der Ausblasrate und der Temperatur der ausgeblasenen Luft auf die Grenzschichtparameter sowie eine Visualisierung und qualitative Analyse des Temperaturfeldes der Oberfläche der durchlässigen Wand ohne und mit Ausblasen unter verschiedenen Bedingungen.
Die Untersuchung wurde in einem geschlossenen Unterschall Windkanal für einen Reynoldszahlen-Bereich von 1x10³ < Reₓ < 1x10⁶ und für eine Ausblasrate von 0 < F < 0.0173 durchgeführt. Die Ermittlung der Profile der Strömungsgeschwindigkeit im wandnahen Bereich sowie des Einflusses der Ausblasrate und der Temperatur der ausblasenden Luft auf die Parameter der Grenzschicht wurde mit Hilfe des noninvasiven Laser Doppler- und bei einzelnen Experimenten mit Hilfe des hochauflösenden Konstant Temperatur Anemometrie-Verfahrens durchgeführt. Zur Untersuchung des Temperaturfeldes sowie dessen Änderung wurde ein Thermografiesystem auf Basis einer Infrarot-Kamera eingesetzt.
Die ermittelten Profile der Strömungsgeschwindigkeit u(x,z) und besonders v(x,z) haben gezeigt, dass das Ausblasen durch eine durchlässige Wand, die gleichmäßig verteilte Mikro-Öffnungen enthält, als ein „Ensemble“ einzelner Freistrahlen zu betrachten ist. Im Fall einer Unterschallströmung darf diese Art des Ausblasens nur grob als ein gleichmäßiges Ausblasen angenommen werden.
Mit Hilfe des gleichmäßigen Ausblasen wurde der Reibungsbeiwert im Bereich Reynoldszahlen Reₓ < 1x10⁶ im Vergleich zur festen Wand um bis zu 59 % reduziert. Dabei wurde festgestellt, dass der Reibungsbeiwert bzw. die Wandschubspannung einer durchlässigen Wand mit Ausblasen von der Ausblasrate abhängt und deren Reduzierung nur bis zu einem bestimmten Wert der Ausblasrate stattfindet.
Durch das Ausblasen der Luft verschiedener Temperatur wurde es gezeigt, dass auf die Eigenschaften der turbulenten Grenzschicht über einer durchlässigen Wand neben dem Ausblasen selbst, die Temperatur des ausblasenden Mediums auch eine wichtige Rolle spielt. Je nach dem, welche Temperatur das ausblasende Fluid besitzt, wird der Reibungsbeiwert reduziert oder erhöht.
Mittels einer Visualisierung des Temperaturfeldes der Oberfläche der durchlässigen Wand mit Ausblasen wurde eine indirekte Visualisierung der Wirkung der äußeren Strömung auf die umströmte Wand realisiert. Da sich eine äußere Strömung in Wandnähe eine Grenzschicht bildet, kann diese Visualisierung als eine Visualisierung der Wirkung des Ausblasens auf die Grenzschicht betrachtet werden.
Der Vergleich des Temperaturfelds der Oberfläche der durchlässigen Wand ohne Ausblasen in einer äußeren Strömung mit derjenigen mit Ausblasen hat gezeigt, dass die Wirkung der äußeren Strömung auf die umströmte Wand durch das Ausblasen nicht direkt am Anfang des Ausblasbereichs, sondern in einem Abstand davon voll verhindert wird. Infolge Wechselwirkung zwischen äußerer Strömung und dem Ausblasen, bildet sich über dem Ausblasbereich eine Zwischenschicht bzw. eine Dämpferschicht, die einen Energieaustausch zwischen der äußeren Strömung und der Oberfläche durchlässiger Wand blockiert. Diese Zwischenschicht bildet sich nicht sofort am Anfang des Ausblasbereichs, sondern über einer Strecke, deren Länge von der Ausblasrate abhängt.
The flow over macroscopic patterned/structured surfaces was investigated in a subsonic wind tunnel over Reynolds numbers ranging from 3.14 x 104 to 2.77 x 105 for cylinders and from 5.34 x 105 to 11.27 x 106 for plates. The investigations were accomplished by measuring local and global drag, velocity profiles and by visualization of the flow above the surface. The investigations on structured cylinders revealed that a cylinder with outwardly curved structures has a drag coefficient of about 0.65 times of a smooth one. Flow visualization was carried out by using oil-film technique and velocity profile measurements to elucidate the observed effect, and hence present the mechanism responsible for the observed drag reduction. The near-wall velocity profiles above the surface revealed that a hexagonal bump induces local separation generating large turbulence intensity along the separating shear layer. Due to this increased turbulence, the flow reattaches to the surface with a higher momentum and become able to withstand the pressure gradient delaying the main separation significantly. Besides that, the separation does not appear to occur in a straight line along the length of the cylinder, but follow the curved path forming a wave with its crest at 115° and trough at 110°, in contrast to the laminar separation line at 85° on a smooth cylinder. Investigations on structured plates were performed with the help of hot wire anemometry and oil film interferometry. The main concern of the experiments on structured plates was to examine the effect of hexagonal structures on local and global drag of a structured plate. It was accomplished by determining and analyzing the boundary layer quantities like shear stress velocities, shear stress coefficients and momentum thicknesses over a selected Reynolds number range and various locations in streamwise direction. The results indicate that the values of shear stress coefficients measured by the conventional Clauser chart method are up to 13% higher than the ones deduced by the Oil film Interferometry. Additionally, a maximum of 19% reduction in shear stress coefficient behind the inwardly curved structured plate was observed. On the other hand, a dramatic increase of about 120% in global drag coefficient supersedes the observed reduction in shear stresses at rear of the test plates. Investigations on individual hexagonal structures by measuring the shear stresses and the pressure distribution above the surface revealed that an uneven pressure distribution contributing in total drag force is responsible for a huge increase in global skin drag coefficient. Finally, a number of configurations of a wind turbine made of smooth and structured blades were investigated to compare their efficiencies at various flow velocities. No significant deviation in the efficiencies was observed.